提高發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸自動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量穩(wěn)定性的方法

謝金龍，劉智翔

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提高發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸自動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量穩(wěn)定性的方法

謝金龍，劉智翔

（四川省宜賓普什汽車(chē)零部件有限公司，四川 宜賓 644007）

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)平衡量值大，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，甚至讓駕駛員無(wú)法接受以致影響正常駕駛。對(duì)于曲軸的動(dòng)平衡量值在設(shè)計(jì)中有嚴(yán)格的要求，若曲軸動(dòng)平衡量值不穩(wěn)定，加工置信率差，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)。本研究分析影響動(dòng)曲軸平衡機(jī)測(cè)量不穩(wěn)定性的原因，旨在讓動(dòng)平衡測(cè)量精度置信率達(dá)標(biāo)，并尋求提升動(dòng)平衡測(cè)量穩(wěn)定性的方法。文中采用了平衡機(jī)定標(biāo)砝碼的制定，解決分離比問(wèn)題和增設(shè)創(chuàng)新軸向定位裝置方法，解決了曲軸動(dòng)平衡不穩(wěn)定性問(wèn)題。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)；曲軸自動(dòng)平衡機(jī)；測(cè)量

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸36道加工工序中，曲軸動(dòng)平衡加工被列為關(guān)鍵加工工序，動(dòng)平衡加工精度差，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛在行駛中的振動(dòng)過(guò)大而影響行駛平穩(wěn)性，甚至?xí)鹎S斷裂帶來(lái)安全事故。動(dòng)平衡測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展迅速，發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)和測(cè)試系統(tǒng)也比較多[1-5]，雖然在機(jī)加工中進(jìn)行了一系列的檢測(cè)調(diào)整和對(duì)比，但是，曲軸的動(dòng)平衡穩(wěn)定性還不夠好，還需要進(jìn)一步對(duì)測(cè)量穩(wěn)定性查找原因和尋求新的解決方法。

1 曲軸自動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量精度要求

通常曲軸動(dòng)平衡加工的精度會(huì)根據(jù)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的要求而規(guī)定。如一款型號(hào)為P1的曲軸，發(fā)動(dòng)機(jī)廠家要求動(dòng)平衡精度為15 g·cm。曲軸生產(chǎn)廠家不僅需要將精度加工到15 g·cm以內(nèi)，重復(fù)測(cè)量誤差不能超過(guò)3 g·cm，且在全自動(dòng)平衡機(jī)的測(cè)量精度置信率達(dá)到95%以上。

目前全自動(dòng)平衡機(jī)能達(dá)到曲軸工藝生產(chǎn)要求，重復(fù)測(cè)量值超過(guò)6 g·cm（要求3 g·cm以內(nèi)），置信率達(dá)不到95%，測(cè)量值不穩(wěn)定。測(cè)量值記錄如表1所示，測(cè)試時(shí)間為2016.11.10～2016.11.20，測(cè)試機(jī)床為一車(chē)間自動(dòng)平衡機(jī)，產(chǎn)品型號(hào)為P1。

表1 動(dòng)平衡標(biāo)件量值記錄

2 曲軸動(dòng)平衡測(cè)量不穩(wěn)定原因分析

2.1 機(jī)械干涉

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中這些因素主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[6]：

（1）制造過(guò)程中機(jī)械加工不精確，傳感器連接桿有間隙。傳感器連接桿與機(jī)床固定件之間有間隙，且無(wú)鐵屑等雜質(zhì)的干涉、卡阻。

（2）升降托架電機(jī)外殼有無(wú)外部干涉。這就機(jī)床操作人員在測(cè)量加工中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，曲軸的大頭和小頭測(cè)量值時(shí)好時(shí)壞，小頭測(cè)量值偏小的主要原因，小頭側(cè)的托架電機(jī)外殼與機(jī)床外殼只有約5 mm的間隙，測(cè)量時(shí)如果有鐵屑卡在間隙里就會(huì)阻礙小頭側(cè)整個(gè)測(cè)量擺架的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響稱量結(jié)果。

（3）維修過(guò)程中改變狀態(tài)，氣管、電線與擺架發(fā)生干擾。機(jī)床使用的壓縮空氣氣管、電纜線與測(cè)量擺架如發(fā)生干涉，測(cè)量值也會(huì)收到一定的影響。

（4）運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子不均勻磨損，擺架上的護(hù)罩如果沒(méi)有緊固，在測(cè)量過(guò)程中會(huì)參擺，影響測(cè)量。

2.2 工裝夾具

在換型時(shí)，軸向限位塊，支撐瓦的狀態(tài)也會(huì)影響測(cè)量：

（1）軸向限位的位置調(diào)整。在工件旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，起到實(shí)際軸向竄動(dòng)限位作用的是兩個(gè)軸承，而銅瓦的作用是在去重鉆削時(shí)防止曲軸在切削時(shí)由于切削力在擺動(dòng)的稱量擺架上產(chǎn)生位移，而影響鉆削深度。在銅瓦的安裝時(shí)，應(yīng)避免與工件端面產(chǎn)生摩擦，與軸頸有0.3～0.5 mm的間隙。軸向限位軸承也應(yīng)與端面有0.3～0.5 mm間隙且要避開(kāi)圓角防止工件旋轉(zhuǎn)時(shí)有“爬坡”現(xiàn)象。定時(shí)檢查軸承是否動(dòng)作靈活無(wú)卡阻。

（2）支撐瓦。合金瓦應(yīng)該緊固在工裝上，并定期研磨，每次研磨要研磨至軸頸無(wú)污物為最好。陶瓷支撐瓦由于加工工藝應(yīng)該浮動(dòng)于工裝上，使其充分接觸軸頸。換裝陶瓷瓦時(shí)檢查瓦是否有活動(dòng)間隙，瓦面是否全部接觸軸頸，避免陶瓷瓦磨損不均勻。

2.3 輔助材料

（1）潤(rùn)滑。支撐瓦與工件之間的潤(rùn)滑依靠機(jī)床自帶的油霧潤(rùn)滑，沒(méi)有潤(rùn)滑或者潤(rùn)滑不均勻會(huì)導(dǎo)致瓦塊磨損，也會(huì)導(dǎo)致稱量不準(zhǔn)確，是極其重要的。潤(rùn)滑系統(tǒng)在使用調(diào)節(jié)過(guò)程中應(yīng)保證前后支撐架的出氣量大小基本相同，檢測(cè)方式為用白紙放在出油孔的地方能在白紙上形成圓形油印為最佳狀態(tài)。出油量大小可以調(diào)節(jié)油霧器的調(diào)節(jié)旋鈕，同時(shí)配合壓差調(diào)節(jié)，進(jìn)氣壓力5～6 bar，出氣壓力比進(jìn)氣壓力小2 bar。冬天溫度較低應(yīng)該適當(dāng)調(diào)大出油量或者使用密度較低的潤(rùn)滑油。

（2）氣管。由于兩臺(tái)自動(dòng)平衡機(jī)鉆頭都沒(méi)有使用護(hù)罩，鐵屑飛濺嚴(yán)重，氣管燙傷，漏氣的地方比較多。壓力不穩(wěn)定，產(chǎn)品去重時(shí)夾持產(chǎn)品可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品位置變化，影響切削深度或者角度。

以上問(wèn)題都是在機(jī)床調(diào)試過(guò)程中處理過(guò)和需要注意的，有些因素雖然不是影響機(jī)床穩(wěn)定性的根本原因或者單獨(dú)能影響機(jī)床穩(wěn)定性的原因，但是都不能忽視。

3 提高自動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量穩(wěn)定性方法

3.1 平衡機(jī)定標(biāo)砝碼的制定

以常見(jiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸4JB1為例，標(biāo)準(zhǔn)扇葉半徑85 mm，動(dòng)平衡要求在17 g/cm內(nèi)。首先動(dòng)平衡定標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)件的加重砝碼應(yīng)該貼合扇葉板，在實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇2 g、20 g、50 g左右的砝碼進(jìn)行加重實(shí)驗(yàn)，定標(biāo)后反復(fù)測(cè)量看其量值是否穩(wěn)定。這里涉及到了砝碼質(zhì)心的計(jì)算，能準(zhǔn)確計(jì)算砝碼質(zhì)心是驗(yàn)證機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)是否準(zhǔn)確和定標(biāo)起到?jīng)Q定性作用。下面是砝碼質(zhì)心計(jì)算的方法，如圖2所示。圖中：為砝碼總質(zhì)量，g；1為砝碼大端質(zhì)量，g；2為砝碼螺紋端質(zhì)量，g；為砝碼螺紋段長(zhǎng)度，cm；為砝碼大段長(zhǎng)度，cm；為砝碼計(jì)算質(zhì)心到螺紋底端距離，cm；為砝碼計(jì)算質(zhì)心距離，cm。

圖2 動(dòng)平衡砝碼幾何尺寸

根據(jù)動(dòng)平衡機(jī)砝碼計(jì)算公式[7]：

2×/2＋1×(＋/2)＝×（1）

由式（1）可以得出砝碼計(jì)算質(zhì)心距為：

＝－（2）

假如曲軸的扇面半徑為＝85 mm，砝碼加在扇葉上時(shí)的計(jì)算半徑為'＝＋在加重實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)床測(cè)量出的不平衡量就應(yīng)該為×'（g/cm）。

再根據(jù)計(jì)算砝碼質(zhì)心距離修改參數(shù)中的試重半徑，這樣就能對(duì)比計(jì)算的不平衡量與實(shí)際機(jī)床測(cè)量的不衡量的差值了。

多次試重后如機(jī)床的測(cè)量值非常不穩(wěn)定。在原參數(shù)中設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，由于4JB1的質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)影響測(cè)量振動(dòng)線性，在分別實(shí)驗(yàn)350 r/min、360 r/min、380 r/min后得出360 r/min時(shí)測(cè)量4GB1的稱量值相對(duì)穩(wěn)定了，但是仍然有偏差以及大小頭的分離比不好，加重后另一端的不平衡量也會(huì)很大。

3.2 解決分離比問(wèn)題

分離比不好也會(huì)影響測(cè)量值。影響分離比通常有兩個(gè)方面，一個(gè)是大小頭有一端有機(jī)械干涉，一個(gè)是大小頭有一端的傳感器有問(wèn)題。如排除機(jī)械干涉，那么檢查傳感器。傳感器探頭與連桿固定無(wú)松動(dòng)，探頭運(yùn)動(dòng)正常能自由往復(fù)運(yùn)動(dòng)無(wú)干涉（如果有卡阻現(xiàn)象可更換傳感器內(nèi)的簧片）。檢查無(wú)問(wèn)題后做無(wú)加重測(cè)量，檢查左右兩端的振幅線性一致性，如形成180°，一個(gè)近似正玄波一個(gè)近似余弦波，可判斷有一側(cè)傳感器的1、2端子的線路接法問(wèn)題導(dǎo)致波形不一致影響分離比。通過(guò)在大小頭分別加重，繼續(xù)做無(wú)加重實(shí)驗(yàn)就可看振幅變化從而確定是哪一邊的傳感器線接線問(wèn)題了。重新焊接線后線性一致（圖3），再看振幅線性時(shí)，加上最重的砝碼（50 g左右），看線性圖會(huì)不會(huì)出現(xiàn)跳出畫(huà)面的情況，如果有就調(diào)節(jié)測(cè)量板上的檔位，左右側(cè)均可調(diào)節(jié)放大比例，直到線性適中。

3.3 增設(shè)軸向定位裝置

繼續(xù)進(jìn)行加重測(cè)試，改了傳感器線后分離比很小在允許范圍內(nèi)，但還是出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，量值不穩(wěn)定。曲軸自動(dòng)平衡機(jī)在測(cè)量的過(guò)程中，曲軸是旋轉(zhuǎn)件，一個(gè)不平衡的曲軸在其旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)其支承結(jié)構(gòu)和曲軸本身產(chǎn)生一個(gè)壓力，并導(dǎo)致振動(dòng)，自動(dòng)平衡機(jī)就是對(duì)曲軸在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)量校驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)量和檢查發(fā)現(xiàn)，曲軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中軸向竄動(dòng)嚴(yán)重（約0.5～3 mm的軸向竄動(dòng)），導(dǎo)致曲軸動(dòng)平衡量值重合性極差[8]，甚至有曲軸在測(cè)量過(guò)程中飛出機(jī)床的現(xiàn)象。

圖3 動(dòng)平衡傳感器振幅線性圖

造成上述情況的原因是：曲軸全自動(dòng)平衡機(jī)軸向定位裝置主要是靠軸向定位塊（見(jiàn)圖4），軸向定位塊材料為黃銅，曲軸軸向定位塊磨損，曲軸在加工測(cè)試旋轉(zhuǎn)中，產(chǎn)生軸向竄動(dòng)時(shí)，與銅塊干涉，造成銅塊磨損，定位塊與曲軸開(kāi)檔的間距越來(lái)越大，曲軸在加工中的軸向竄動(dòng)也越來(lái)越大，量值誤差也逐漸增大。

根據(jù)上述分析，對(duì)曲軸在動(dòng)平衡測(cè)量時(shí)的端面進(jìn)行定位，即提供一種能防止發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸在動(dòng)平衡測(cè)量中的軸向竄動(dòng)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，增設(shè)動(dòng)平衡機(jī)軸向定位裝置，限制曲軸在動(dòng)平衡加工中軸向竄動(dòng)。軸向定位裝置如圖4所示。

圖4 軸向定位裝置

該定位裝置改進(jìn)后，操作方便，曲軸開(kāi)始測(cè)試時(shí)，軸向定位氣缸伸出，定位軸承緊貼曲軸端面，防止曲軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的軸向竄動(dòng)，曲軸動(dòng)平衡精度達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)廠家要求的精度，保證了全自動(dòng)平衡機(jī)置信度達(dá)到96%以上。杜絕了曲軸在測(cè)量旋轉(zhuǎn)時(shí)偶爾飛出的現(xiàn)象。

表2為動(dòng)平衡標(biāo)件量值改進(jìn)后記錄，測(cè)試時(shí)間為2016.12.21～2016.12.29。從表中可以看出，曲軸自動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量穩(wěn)定性得到有效提升。

表2 動(dòng)平衡標(biāo)件量值改進(jìn)后記錄

4 結(jié)論

針對(duì)曲軸的動(dòng)平衡穩(wěn)定性不夠好問(wèn)題，本文根據(jù)動(dòng)平衡機(jī)的精度要求，通過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中找到三個(gè)影響動(dòng)平衡不穩(wěn)定的切實(shí)原因。并通過(guò)對(duì)平衡機(jī)定標(biāo)砝碼的制定，解決分離比問(wèn)題和增設(shè)創(chuàng)新軸向定位裝置，限制曲軸動(dòng)平衡加工中軸向竄動(dòng)，使動(dòng)平衡置信率從90%提高到了96%以上，從而提高了曲軸自動(dòng)平衡機(jī)測(cè)量的穩(wěn)定性。

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A Method for Improving Measurement Stability of Engine Crankshaft Automatic Balancer

XIE Jinlong，LIU Zhixiang

(PUSH Auto Parts Co.,Ltd., Yibin644007, China )

The large value of the crankshaft dynamic balance of an automobile engine may cause vibrations even to the extent that the driver cannot accept it and normal driving is affected. There are strict requirements on the dynamic balance of the crankshaft. If the crankshaft's dynamic balance is unstable and the machining confidence is poor, it will cause abnormal engine vibration. This study analyzes the reasons that affect the instability of the crankshaft balancing machine measurement. The purpose is to make the dynamic balance measurement meet the standard of accuracy and to seek ways to improve the stability of the dynamic balance measurement. The formulation of balancing machine calibration weights was adopted to solve the problem of separation ratio and to develop a method of adding innovative axial positioning devices, which solved the instability problem of crankshaft dynamic balance.

automobile engine；crankshaft automatic balancing machine；measurement

U666.16+1

A

1006－0316 (2018) 04－0042－05

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.010

2017－09－21

謝金龍（1982－），男，四川宜賓人，本科，工程師，主要從事生產(chǎn)、設(shè)備管理工作。